전력 전자 및 컴퓨터 기술의 급속한 발전과 함께 AC 속도 조절은 DC 속도 조절을 대체하는 개발 추세가되었습니다. 주파수 변환 속도 조절은 우수한 속도 조절과 시동 및 제동 성능으로 국내외에서 가장 유망한 속도 조절 방법으로 인정 받고 있습니다. 주파수 변환 기술은 AC 속도 조절의 핵심 기술이며 전력 전자 및 컴퓨터 기술은 주파수 변환 기술의 핵심이며 전력 전자 장치는 전력 전자 기술의 기초입니다. 전력 전자 기술은 최근 몇 년 동안 빠르게 발전한 첨단 기술입니다. 그것은 메카트로닉스, 모터 변속기, 항공 우주 등의 분야에서 널리 사용됩니다. 이제 국가가 개발을 위해 경쟁하는 첨단 기술이되었습니다. 전문가들은 21 세기에 고도로 발전된 자동 제어 분야에서 컴퓨터 기술과 전력 전자 기술이 가장 중요한 두 가지 기술이라고 예측합니다.
1. 전력 전자 기기 개발 과정
사이리스터는 1950 년대 후반 미국에서 나 왔으며 전력 전자 기술의 탄생을 알 렸습니다. 1 세대 전력 전자 장치는 주로 실리콘 제어 정류기 (SCR)로 1970 년대에 우리나라에서 에너지 절약 기술로 등재되어 전국적으로 홍보되었습니다. 그러나 SCR은 반 제어식 스위칭 장치로 켜기 만 제어 할 수 있지만 끄기는 제어 할 수 없습니다. AC 드라이브 및 가변 주파수 전원 공급 장치의 적용에 제한이 있습니다. 파워 트랜지스터 (GTR), 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO), 파워 MOS 전계 효과 트랜지스터 (PowerMOSFET), 절연 게이트 트랜지스터 (IGBT), 정적 유도 트랜지스터 (SIT) 및 정적 유도 사이리스터 (SITH)는 1970 년대 이후 연속적으로 발명되었습니다. , 등등. 그들의 공통적 인 특징은 그들의 전도와 끄기를 제어하는 것입니다. 완전히 제어되는 스위칭 장치입니다. 컨버터 회로가 필요하지 않기 때문에 SCR에 비해 부피와 무게가 크게 감소합니다. 현재 IGBT는 우수한 특성을 가진 주류 장치가되었으며 대용량 GTO도 확실한 위치를 차지하고 있습니다.
많은 국가에서 대용량 장치를 개발하기 위해 노력하고 있으며 6000V IGBT가 해외에서 생산되었습니다. IEGT (injectionenhancedgatethyristor)는 IGBT와 GTO의 장점을 결합한 새로운 유형의 장치입니다. 1000A / 4500V의 샘플이 이미 나왔습니다. IGCT (integratedgateeommutatedthyristor)는 GTO를 기반으로 버퍼 레이어와 투명 이미 터를 사용합니다. 이것은 켜지면 사이리스터, 꺼져있을 때는 트랜지스터에 해당하므로 켜짐 상태 전압과 차단 전압 사이의 모순을 효과적으로 조정하며 작동 주파수는 수 킬로 헤르츠에 도달 할 수 있습니다. [2] [3 ]. 스위스 ABB 회사는 최대 4500-6000V, 3000-3500A의 IGCT를 출시했습니다. MCT는 진전이 거의 없어 은퇴했으며 IGCT의 개발로 인해 새로운 패턴의 전력 전자 장치에서 중요한 위치를 차지하게되었습니다. 우리나라는 선진국과 비교하여 응용보다 장치 제조에서 더 큰 격차가 있습니다. 고전력 트렌치 게이트 구조 IGBT 모듈, IEGT, MOS 게이트 사이리스터, 고전압 갈륨 비소 고주파 정류기 다이오드, 실리콘 카바이드 (SIC) 및 기타 새로운 전력 장치와 같은 새로운 전력 장치는 해외에서 최신 개발을하고 있습니다. GaAs 및 SiC와 같은 새로운 반도체 재료를 사용하여&# 39의" 이상적인 장치" 21 세기 전력 전자 기기 개발의 주요 트렌드가 될 것입니다.
고 신뢰성 전력 전자 빌딩 블록 (PEBB) 및 통합 전력 전자 모듈 (IPEM)은 최근 미국 전력 전자 기술 개발의 새로운 핫스팟입니다. GTO와 IGCT, IGCT와 고전압 IGBT 및 기타 새로운 전력 전자 장치 간의 치열한 경쟁은 21 세기의 새로운 전력 전자 기술 및 주파수 변환 기술 개발에 더 많은 기회와 도전을 가져올 것입니다.
2. 주파수 변환 기술 개발 과정
주파수 변환 기술은 AC 모터의 무단 속도 조절에 대한 요구에 부응하여 탄생했습니다. 전력 전자 장치의 갱신으로 전력 변환 촉진
지속적인 기술 개발. 처음에는 주파수 변환 기술이 가변 전압이 아닌 주파수 변환으로 제한되었습니다. 1970 년대 이후 펄스 폭 변조 가변 전압 주파수 변환 (PWM-VVVF) 속도 조절에 대한 연구는' 사람들의 관심을 끌었습니다. 1980 년대에는 주파수 변환 기술의 핵심 인 PWM 모드 최적화 문제가' 사람들의 큰 관심을 끌었고 변조 파 종파 분할 방법, 동 위상 반송파 PWM 기술, 위상과 같은 많은 최적화 모드가 얻어졌습니다. -이동 반송파 PWM 기술, 반송파 변조 파동 동시 위상 이동 PWM 기술 등.
VVVF 인버터의 제어는 비교적 간단하고 기계적 특성도 좋습니다. 일반 변속기의 원활한 속도 조절 요구 사항을 충족시킬 수 있으며 다양한 산업 분야에서 널리 사용되었습니다. 그러나이 제어 방식이 저주 파일 경우 출력 전압이 작기 때문에 고정자 저항 전압 강하의 영향이 커져 최대 출력 토크가 감소합니다.
벡터 제어 주파수 변환 속도 조절 방법은 다음과 같습니다. 3 상 좌표계에서 비동기 모터의 고정자 AC 전류 Ia, Ib 및 Ic는 3 단계를 통해 동기 회전 좌표계에서 DC 전류 Iml, Itl로 변환됩니다. 위상에서 2 단계로의 변환. , 그런 다음 DC 모터의 제어 방법을 모방하고 DC 모터의 제어 수량을 얻고 해당 좌표 역변환을 통해 비동기 모터의 제어를 실현하십시오.
직접 토크 제어는 고정자 좌표계에서 AC 모터의 수학적 모델을 직접 분석하고 모터의 자속 연결 및 토크를 제어합니다. AC 모터를 동등한 DC 모터로 변환 할 필요가 없으므로 벡터 회전 변환에서 많은 복잡한 계산이 필요하지 않습니다. DC 모터의 제어를 모방 할 필요도없고 디커플링을 위해 AC 모터의 수학적 모델을 단순화 할 필요도 없습니다.
VVVF 주파수 변환, 벡터 제어 주파수 변환 및 직접 토크 제어 주파수 변환은 모두 AC-DC-AC 주파수 변환입니다. 일반적인 단점은 입력 역률이 낮고 고조파 전류가 크고 DC 회로에 큰 에너지 저장 커패시터가 필요하며 회생 에너지를 그리드로 피드백 할 수 없습니다. 즉, 4 사분면 작동을 수행 할 수 없다는 것입니다. . 이러한 이유로 매트릭스 AC-AC 주파수 변환이 이루어졌습니다.
3. 주파수 변환 기술 및 가전
1970 년대부터 가전 제품이 주파수 변환으로 전환되기 시작했고, 전자 조리 기기, 주파수 변환 조명기구, 주파수 변환 에어컨, 주파수 변환 전자 레인지, 주파수 변환 냉장고, IH (유도 가열) 쌀빵, 주파수 변환 세탁기 등이 등장했다 [4].
20 세기 말 가전 제품은 주로 높은 기능성과 절전을 목표로하는 주파수 변환 기술에 의존했습니다.
첫 번째는 냉장고입니다. 하루 종일 작동하기 때문에 압축기 시동으로 인한 소음을 완전히 제거 할 수있는 주파수 변환 냉동을 채택한 후 압축기가 항상 저속으로 작동하며 에너지 절약 효과가 더욱 분명합니다. 둘째, 에어컨이 주파수 변환을 사용하면 압축기의 작동 범위가 확장되고 압축기가 간헐적 인 상태로 작동하지 않고도 냉난방 제어가 실현되어 전력 소비를 줄이고 온도로 인한 불편 함을 제거 할 수 있습니다. 변화. 최근 새로운 주파수 변환 냉장고는 전력 소비를 줄이고 정숙성을 달성 할뿐만 아니라 고속 작동을 사용하여 급속 동결을 달성했습니다.
세탁기에서는 과거에 가변 주파수 제어를 사용하여 세탁 성능을 향상시키기 위해 가변 속도 제어를 달성했습니다. 에너지 절약 및 정숙성 외에도 새로 인기있는 세탁기는 옷의 부드러운 세탁을 보장하기 위해 새로운 제어 콘텐츠를 도입했습니다. 전자 레인지는 고주파 유도 가열을 사용하여 가스의 뜨거운 부분과 전기 가열없이 직접 냄비를 가열하므로 안전 할뿐만 아니라 난방 효율도 크게 향상됩니다. 작동 주파수가 청각보다 높기 때문에 쌀 냄비의 진동으로 인한 소음을 제거합니다.
넷째, 전력 전자 기기로 인한 피해 및 대책
전력 전자 장치의 위상 제어 정류 및 제어 불가능한 다이오드 정류는 입력 전류 파형의 심각한 왜곡을 일으켜 시스템의 역률을 크게 감소시킬뿐만 아니라 심각한 고조파 오염을 유발합니다.
또한 하드웨어 회로의 전압 및 전류의 급격한 변화로 인해 전력 전자 장치는 큰 전기적 스트레스를 받고 주변 전기 장비 및 전파에 심각한 전자기 간섭 (EM1)을 발생시켜 상황이 악화되고 있습니다. 많은 국가에서 고조파를 제한하기 위해 국가 표준을 제정했습니다. IEE (International Institute of Electrical and Electronics Engineers), IEC (International Electrotechnical Commission) 및 CIGRE (International Conference on Large Power Grids)는 자체 고조파 표준을 발표했습니다. 중국 정부는 또한 고조파를 제한하기위한 관련 규정을 제정했습니다.
(1) 고조파 및 전자파 장해 대책
1. 고조파 억제
전력 전자 소자에서 발생하는 고조파를 억제하기위한 한 가지 방법은 고조파 보상을 수행하는 것, 즉 입력 전류를 사인파로 만드는 고조파 보상 장치를 설정하는 것이다.
기존 고조파 보상 장치는 고조파와 무효 전력을 모두 보상 할 수있는 IC 튜닝 필터를 사용합니다. 단점은 보상 특성이 계통의 임피던스와 작동 상태의 영향을 받고 시스템과의 병렬 공진이 용이하여 고조파 증폭을 일으키고 LC 필터에 과부하가 걸리거나 심지어 연소된다는 것입니다. 또한 고정 주파수의 고조파 만 보상 할 수 있으며 그 효과는 이상적이지 않습니다.
전력 전자 장치의 대중화 및 적용 이후 고조파 보상을위한 유효 전력 필터의 사용이 중요한 방향이되었습니다. 원리는 보상 대상에서 고조파 전류를 감지 한 다음 고조파 전류와 크기가 같고 극성이 반대 인 보상 전류를 생성하여 그리드 전류가 기본 파 성분 만 포함하도록하는 것입니다. 이 필터는 주파수와 진폭이 변경되는 고조파를 추적하고 보상 할 수 있으며 보상 특성은 그리드의 임피던스에 영향을받지 않습니다.
고조파를 줄이기위한 대용량 변환기의 주요 방법은 여러 기술을 사용하는 것입니다. 여러 개의 구형파를 중첩하여 낮은 고조파를 제거하여 사인에 가까운 계단 파를 얻습니다. 다중성이 높을수록 파형이 사인에 가까워 지지만 회로 구조가 더 복잡해집니다. 낮은 고조파와 높은 역률을 달성하기 위해 소용량 컨버터는 일반적으로 PEC (역률 보정)이라고하는 다이오드 정류 및 PWM 초핑을 사용합니다. 일반적인 회로에는 부스트 유형, 강압 유형, 벅 부스트 유형 등이 포함됩니다.
2. 전자기 간섭 억제
EMI를 해결하는 방법은 스위칭 장치를 켜고 끌 때 나타나는 과도한 전류 상승률 di / dt 및 전압 상승률 du / dt를 극복하는 것입니다. 현재 제로 전류 스위칭 (ZCS) 및 제로 전압 스위칭 (ZVS)에 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. ) 회로. 방법은 :
(1) 인덕턴스는 스위칭 장치와 직렬로 연결되어 스위칭 장치가 켜져있을 때 di / dt를 억제 할 수 있으므로 장치에 전압 및 전류 중첩 영역이없고 순방향 손실을 줄일 수 있습니다.
(2) 병렬 커패시터가 스위칭 장치에 연결되고 장치가 꺼지면 du / dt가 상승하는 것이 금지되고 장치에 전압 및 전류 중첩 영역이 없어 스위칭 손실이 감소합니다.
(3) 역 병렬 다이오드가 장치에 연결됩니다. 다이오드 전도 기간 동안 스위칭 장치는 제로 전압 및 제로 전류 상태에 있습니다. 이때 ZVS 및 ZCS 작업을 수행하기 위해 드라이브 장치를 켜거나 끕니다.
현재 더 일반적으로 사용되는 소프트웨어 스위칭 기술에는 부분 공진 PWM 및 무손실 스 너버 회로가 포함됩니다.
(2) 역률 보상
초기 방법은 특히 무효 전력을 생성하는 데 사용되는 동기 모터 인 동기 모터를 사용하는 것입니다. 과 여자 및 저 여자를 사용하여 각각 다른 양의 용량 성 또는 유도 성 무효 전력을 방출합니다. 그러나 회전 전동기이기 때문에 소음과 손실이 크고 운전과 유지 보수도 복잡하고 응답 속도가 느립니다. 따라서 많은 경우에 빠른 무효 전력 보상 요구 사항을 충족하지 못했습니다.
또 다른 방법은 포화 리액터가있는 정적 무효 전력 보상 장치를 사용하는 것입니다. 정적 형과 빠른 응답 속도의 장점이 있지만 코어를 포화 상태로 자화시켜야하기 때문에 손실과 소음이 크고 비선형 회로의 특수한 문제가있어 조정이 불가능합니다. 부하의 불균형을 보상하기위한 위상. 따라서 정적 var 보상 장치의 주류를 차지하지 못했습니다.
전력 전자 기술의 지속적인 개발과 함께 SCR, GTO 및 IGBT를 사용하는 정적 var 보상 장치가 비약적으로 개발되었습니다. 그중 정적 var 생성기가 가장 우수합니다. 빠른 조정 속도와 넓은 작동 범위의 장점을 가지고 있으며 다중, 다중 레벨 또는 PWM 기술을 채택한 후 보상 전류의 고조파 성분을 크게 줄일 수 있습니다. 더 중요한 것은 정적 var 생성기에 사용되는 리액터 및 용량 성 구성 요소가 작아서 장치의 크기와 비용을 크게 줄입니다. 정적 무효 전력 생성기는 동적 무효 전력 보상 장치의 개발 방향을 나타냅니다.
다섯, 결론
우리는 전력 전자 기술이 21 세기의 중요한 기둥 기술 중 하나가 될 것이라고 믿습니다. 주파수 변환 기술은 전력 전자 기술 분야에서 중요한 위치를 차지합니다. 최근에는 고압 주파수 변환 속도 조절 및 전기 견인 분야의 개발이 주목을 받고 있습니다. 세계 경제의 통합과 우리나라가 세계 무역기구에 가입함으로써 우리나라의 전력 전자 및 주파수 변환 기술 산업은 전례없는 발전 기회를 갖게 될 것입니다.